稀釋氣體對點燃式天然氣發(fā)動機性能的影響

儲利民，何卓遙，朱磊

(1.上海柴油機股份有限公司，上海 200432；2.上海交通大學內(nèi)燃機研究所，上海 200240)

隨著當今世界石油能源和環(huán)境危機問題愈演愈烈，尋求可持續(xù)清潔能源迫在眉睫。天然氣因其儲量大、燃燒清潔而受到青睞，并已經(jīng)作為動力能源廣泛地應(yīng)用于內(nèi)燃機領(lǐng)域。天然氣既可應(yīng)用于壓燃式發(fā)動機(雙燃料)，也可以應(yīng)用于點燃式發(fā)動機，目前，天然氣發(fā)動機主要是以點燃式發(fā)動機的形式出現(xiàn)。點燃式天然氣發(fā)動機具有與傳統(tǒng)柴油機或汽油機幾乎相當?shù)膭恿π阅?，且裸機排放性能顯著優(yōu)于前兩者。然而，天然氣因其均質(zhì)富氧的燃燒特性使得其具有較高的缸內(nèi)燃燒溫度和較多的NOx排放。

在內(nèi)燃機領(lǐng)域，EGR策略是控制NOx排放的有效措施。這主要源于EGR中含有大量高比熱容的氣體，如CO2，H2O等，這些氣體具有降低缸內(nèi)燃燒溫度的作用，從而抑制NOx的生成。在柴油機中，稀釋氣體EGR被認為具有稀釋作用(降低進氣氧濃度)、熱作用(改變進氣比熱容)和化學作用(參與化學反應(yīng))3種作用[1-4]，其中化學作用主要體現(xiàn)在CO2和H2O高溫下分解后參與燃燒化學反應(yīng)。柴油機以變質(zhì)調(diào)節(jié)模式工作，而點燃式發(fā)動機以變量調(diào)節(jié)模式工作，以上所提及的3種效應(yīng)在這兩種發(fā)動機中發(fā)揮的作用有所不同。N.Ladommatos等[2]指出，同稀釋作用和熱作用相比，化學作用較為微弱。因此，本研究將針對EGR氣體在點燃式天然氣發(fā)動機中的稀釋作用和熱作用展開研究。

1 試驗臺架和試驗方法

本試驗以SC5DT 天然氣發(fā)動機為基礎(chǔ)進行研究，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 SC5DT發(fā)動機主要參數(shù)

測功機采用CW260B-1800/7500電渦流測功機，采用Panther控制系統(tǒng)控制發(fā)動機測功機的運轉(zhuǎn)。采用Woodward OH2CNG電控單元對發(fā)動機的運轉(zhuǎn)進行控制。采用CAI-HCLD測量NOx排放，采用CAI-HFID測量HC排放，采用CAI-602P對進氣O2濃度和排氣CO進行測量。缸壓傳感器采用Kistler 6118BFD35Q03A41火花塞傳感器一體式裝置。缸壓數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)使用D2T Osiris發(fā)動機燃燒分析儀。整個發(fā)動機臺架布置見圖1。

圖1 發(fā)動機臺架布置示意

本研究中，稀釋氣體的稀釋程度用稀釋氣體在總進氣中的占比Rdil表征(見式(1))。為此，采用稀釋后進氣道中的O2濃度(fO2dil)進行計算(見式(2))。其中，fO2inAir為空氣中的氧濃度。因此，試驗中對中冷后的O2濃度進行了測量。缸壓傳感器安裝在發(fā)動機的第2缸。排氣溫度和排放物的測量點在渦輪和消聲器之間。天然氣氣耗由OH2CNG電控系統(tǒng)給出。

(1)

(2)

在點燃式天然氣發(fā)動機中，若發(fā)動機的進氣燃料量和當量比一定，稀釋氣體則引起進氣總量增加，由此引起發(fā)動機性能的改變稱為稀釋作用；稀釋氣體引起發(fā)動機進氣的總熱容增加，由此引起的發(fā)動機性能變化稱為熱作用。在此需要指明，稀釋作用和熱作用的性質(zhì)不針對特定的稀釋氣體，是所有稀釋氣體都具有的共性，其性質(zhì)一樣，但其量則因稀釋氣體的不同而不同。然而，對于任何單一的稀釋情形，其稀釋作用和熱作用混為一體。為此，本研究采用對比隔離法對稀釋作用和熱作用的性質(zhì)進行研究。EGR主要成分為CO2，N2和H2O，在當量比小于1.0的情形下還存在O2。而在這些成分中，O2是參與燃燒的氧化劑而非稀釋氣體；CO2和H2O雖是稀釋氣體但均具有化學作用[6]，這會給隔離試驗引入干擾因素，從而難以隔離出熱作用和化學作用。相比之下，N2化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，作為稀釋氣體，它僅具有熱作用和化學作用，因此可以作為對比隔離試驗中的一種對比氣體。為進行對比隔離試驗，還需要選擇一種化學性質(zhì)穩(wěn)定，而比熱容與N2有明顯差異的氣體。惰性氣體則明顯可以滿足這樣的要求。Ar因相對較經(jīng)濟而被用作對比隔離試驗的稀釋氣體。

圖2 稀釋作用和熱作用的對比隔離原理

(3)

(4)

本試驗發(fā)動機轉(zhuǎn)速為發(fā)動機的最大扭矩點轉(zhuǎn)速1 500 r/min，點火提前角為20°BTDC，當量比為0.73，負荷為平均有效壓力 0.765 MPa(即50%負荷，323 N·m)。稀釋氣體則采用N2和Ar。N2和Ar稀釋比Rdil從0%增加直至發(fā)動機臺架失穩(wěn)或者停機。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 稀釋氣體的熱作用分析

圖3示出N2和Ar稀釋情形下的缸壓和放熱率曲線的對比。首先，由圖3可以看出，同無稀釋的情形相比，N2和Ar稀釋均使缸壓和放熱率峰值降低，放熱相位推遲。相比之下，N2稀釋對放熱率的抑制作用較強。在點燃式發(fā)動機中，進氣稀釋最直接的影響是降低混合氣的摩爾能量密度。因此，進氣稀釋使得缸內(nèi)混合氣的燃燒溫度降低，火焰?zhèn)鞑プ兟?，火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期變長(見圖4)。

圖3 熱作用對缸壓和放熱率影響的規(guī)律

圖4 熱作用對火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期的影響

除此之外，進氣稀釋同樣也會改變混合氣的比熱容。N2的比熱容較大，而Ar的比熱容較低，故在同樣的稀釋率下，N2稀釋引起的進氣的熱容增量較多，其相應(yīng)的缸內(nèi)火焰溫度較低。所以，如圖3至圖5所示，N2稀釋下的缸壓和放熱率峰值較低，缸內(nèi)燃燒平均溫度峰值較低，火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期較長。也正是由于缸內(nèi)燃燒溫度的降低，導致了缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性隨著稀釋程度的增加而降低，CovIMEP增加。而相比之下，N2稀釋比Ar稀釋的作用更加明顯。

通過以上的分析可知，熱作用使得缸內(nèi)燃燒速度變慢，缸壓和放熱率峰值降低，放熱相位推遲，燃燒溫度降低且燃燒穩(wěn)定性惡化。

圖5 熱作用對平均指示壓力循環(huán) 變動和缸內(nèi)燃燒峰值的影響

圖6至圖8示出N2和Ar進氣稀釋對發(fā)動機常規(guī)排放的影響對比。在圖6中，隨著稀釋比的增加，不論N2還是Ar稀釋情形，NOx排放值均隨之降低。NOx主要源于缸內(nèi)的高溫條件，這一點可以從圖6中的NOx排放數(shù)值與缸內(nèi)平均溫度峰值的高度線性關(guān)系得以證實。不過，相比之下，N2稀釋對NOx排放的降低作用更加明顯。這主要是由于N2具有更高的比熱容，其稀釋使得缸內(nèi)燃燒溫度更低[5-7]，從而更加顯著地抑制了NOx的生成。

在圖7a中，隨著稀釋率的增加，THC排放隨之增加。當稀釋程度較低時，進氣稀釋使缸內(nèi)燃燒溫度降低，壁面淬熄層厚度增加，從而使THC排放增加；而當稀釋程度較高時，進氣稀釋還容易引起缸內(nèi)大面積淬熄甚至失火現(xiàn)象，從而使THC排放急劇增加。這表明THC排放與缸內(nèi)燃燒溫度存在極其密切的關(guān)系。由于N2稀釋時的缸內(nèi)燃燒溫度較低，因而其THC排放較高。在圖8中，在較低稀釋程度下，N2稀釋下的CO排放值略低，在較高稀釋程度下，N2稀釋情形下的CO排放值更高。CO排放主要受到三方面因素的影響：即缸內(nèi)化學平衡、CO的后期氧化、HC排放的后期氧化。進氣稀釋使得缸內(nèi)燃燒溫度降低，化學平衡(CO2與CO之間的平衡)向著CO減少、CO2增加的方向發(fā)展，因而使得整機CO排放降低。當稀釋程度較高時，缸內(nèi)燃燒惡化，THC排放較高，源于THC排放后期氧化的CO增加，從而引起CO排放的增加。

在圖6至圖8中，N2和Ar稀釋情形的差異即為熱作用對發(fā)動機排放性能的影響。根據(jù)以上分析可知，熱作用使得NOx排放降低，THC排放增加。在較低稀釋率情形下，熱作用使CO排放降低；而在較高稀釋率情形下，熱作用則使CO排放增加。

圖6 熱作用對NOx排放的影響

圖7 熱作用對THC排放的影響

圖8 熱作用對CO排放的影響

圖9示出N2和Ar稀釋下的整機經(jīng)濟性對比。由圖可知，N2稀釋下的燃油消耗率更高。由此表明，熱作用使得整機的經(jīng)濟性變差。前述分析表明，熱作用導致缸內(nèi)燃燒質(zhì)量劣化，排放性能變差。也正是由于上述原因，熱作用使得整機的經(jīng)濟性劣化。

圖9 熱作用對整機經(jīng)濟性的影響

2.2 稀釋氣體的稀釋作用分析

圖10 稀釋作用對缸壓和放熱率峰值的影響

圖11 稀釋作用對火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期的影響

圖12 稀釋作用對缸內(nèi)平均溫度峰值和θCA50的影響

上述分析表明，稀釋作用使缸內(nèi)燃燒速度變慢，缸內(nèi)燃燒溫度降低，放熱率峰值降低且放熱相位推遲。

圖13 稀釋作用對CO和THC排放的影響

圖14 稀釋作用對NOx排放和燃油消耗率的影響

盡管稀釋作用使缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變差，但由圖14可知，稀釋作用卻使整機經(jīng)濟性提高，燃油消耗率降低。為了分析產(chǎn)生以上結(jié)果的原因，本研究對稀釋氣體影響整機經(jīng)濟性的主要因素(放熱定容度、燃燒效率、泵氣損失，等熵指數(shù))進行分析(見圖15)。由圖15可知，稀釋作用使燃燒定容度和燃燒效率降低，而對泵氣損失沒有顯著影響。以上幾點均不能解釋稀釋作用使經(jīng)濟性提高這一結(jié)論。不過，從圖15可以看出，稀釋效應(yīng)使缸內(nèi)工質(zhì)的等效等熵指數(shù)顯著增加，這正是稀釋作用使發(fā)動機經(jīng)濟性改善的主要原因。

圖15 燃油消耗率的影響因素分析

3 結(jié)論

a) 熱作用和稀釋作用均惡化缸內(nèi)燃燒狀況，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟鹧姘l(fā)展期和極速燃燒期增加，燃燒相位推遲,NOx排放降低，THC排放增加;

b) 熱作用惡化整機經(jīng)濟性，而稀釋作用可使整機經(jīng)濟性提高；

c) 稀釋作用提高發(fā)動機經(jīng)濟性的主要原因在于其提高了發(fā)動機工質(zhì)等熵指數(shù)。

參考文獻：

[1] Ladommatos N,Abdelhalim S,Zhao H,et al.The dilution,chemical, and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-part 1: Effect of reducing inlet charge oxygen[C].SAE Paper 961165,1996.

[2] Ladommatos N,Abdelhalim S M,Zhao H,et al.The Dilution,Chemical, and Thermal Effects of Exhaust Gas Recirculation on Disesel Engine Emissions-Part 4: Effects of Carbon Dioxide and Water Vapour[C].SAE Paper 971659,1997.

[3] Ladommatos N,Abdelhalim S M,Zhao H,et al.The dilution,chemical,and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-Part 3: effects of water vapour[C].SAE Paper 971660,1997.

[4] Li T,Okabe Y,Izumi H,et al.Effects of Dilution Gas on Low Temperature Diesel Combustion (Second Report):The Chemical Effects of Carbon Dioxide[J].Transactions of the Society of Automotive Engineers of Japan,2007,38:149-153.

[5] Hu E,Jiang X,Huang Z,et al.Numerical Study on the Effects of Diluents on the Laminar Burning Velocity of Methane-Air Mixtures[J].Energy & Fuels, 2012,26:4242-4252 .

[6] Xie Y,Wang J,Xu N,et al.Comparative study on the effect of CO2and H2O dilution on laminar burning characteristics of CO/H2/air mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy,2014,39:3450-3458.

[7] Chen Z,Tang C,Fu J,et al.Experimental and numerical investigation on diluted DME flames: Thermal and chemical kinetic effects on laminar flame speeds[J]. Fuel,2012,102:567-573.

[8] Turns S R.An introduction to combustion[M].New York：McGraw-hill，1996.